高斯光束质量因子的研究

应用标量光场横截面上光强的精确定义,计算了基模高斯光束的光强二阶矩及光束质量因子,结果表明,当基模高斯光束的束腰半径ω0 λ时,光束质量因子M2非常接近于1,当光束束腰半径较小时,计算的光束质量因子存在较大误差。文章进一步用严格的光场角谱表示法计算了非傍轴标量高斯光束的质量因子,并对一些相关问题进行了讨论。     

标量高斯光束的能量传输

应用标量光场的能流密度矢量 J的定义 ,计算了高斯光束在自由空间传播时 ,其光束传输轴横截面上的光强、光斑区域的能流及总能量 ,并与传统光强定义的相关结果进行了比较。计算结果表明 ,对基模高斯光束 ,仅当 kω0 1(ω0 λ)时 ,传统光强的定义才近似成立 ,否则必须采用光强的精确定义。进一步指出了高斯光束作为波动方程傍轴近似解的条件。     

圆平顶高斯光束在单轴晶体中的传输特性

基于光束在各向异性单轴介质中的傍轴矢量传输理论,导出了圆平顶高斯光束在单轴各向异性晶体中的传输公式,并利用此解析式作数值计算和分析了圆平顶高斯光束在单轴晶体中的传输,研究了各向异性介质对x方向偏振的圆平顶高斯光束偏振特性的影响.研究表明,晶体的各向异性对光束的偏振和圆对称性有较大影响.     

另类非傍轴TM高斯光束的传输解

当激光束的横向光斑尺寸是波长量级甚至是亚波长量级时,傍轴近似失效,必须采用非傍轴描述.高斯光束作为球面激光腔的横基模,迄今为止已提出很多方法来描述非傍轴条件下的高斯光束.赫兹矢量呈高斯分布的另类非傍轴TM高斯光束,是麦克斯韦方程组的高斯波解,是共焦腔和半共焦腔的本征值.为了进一步分析其传输特性和指导应用,在近场将另类非傍轴TM高斯光束的积分解表示成f的幂级数形式的级数解,并退化到傍轴条件给出了傍轴解.所给出的级数传输解对传输距离和初始高斯半宽度有一定的适用范围.在远场利用静止位相法给出了解析的光场,同时对另类非傍轴TM高斯光束的源分布和传输强度分布作了计算和分析,显示了其与一般非傍轴高斯光束的差异.     

二维矩形阵列非傍轴离轴高斯光束的合成研究

基于瑞利-索末菲衍射积分公式,推导出非傍轴离轴高斯光束相干合成和非相干合成光束在自由空间中传输的解析公式.用所得结果对非傍轴高斯光束相干合成和非相干合成进行了研究,得到了非傍轴公式在傍轴条件下,能回归到傍轴理论所得结果.远场近似、傍轴离轴高斯光束的相干合成与非相干合成光束传输公式可作为特例给出.数值计算表明,合成光束的光强分布与合成方式(相干合成和非相干合成)、光束束宽w0(或等效于f参数)、光束束数M(N)、离轴参数a(b)以及传输距离z有关.在远场,对于相干合成,M×N束非傍轴高斯光束的合成光束的轴上光强是单束非傍轴高斯光束的轴上光强的M2N2倍;对于非相干合成,M×N束非傍轴高斯光束的合成光束的轴上光强是单束非傍轴高斯光束的轴上光强的MN倍.     

高斯光束通过透镜-微小圆形光阑系统的衍射

基于矢量瑞利-索末菲衍射理论,推导出了高斯光束通过微小圆形透镜-光阑系统的非傍轴及傍轴传输的近场和远场解析表达式.根据所得到的解析结果,对横向及纵向的光强分布进行了有关数值计算.研究结果显示:当光阑尺寸远大于激光波长且高斯宽度较大时,傍轴理论有效;光阑孔径与激光波长可比拟时,必须要考虑激光传输的非傍轴效应.     

非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束远场传输特性

为了研究非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束远场传输特性,从非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束概念出发,运用Wigner分布函数,对非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束远场特性进行了理论分析,得出了一阶情况下的解析传输公式及光强分布表达式,根据仿真结果分析出表达式中3个主要参数f、fσ、g对厄米-余弦-高斯光束在自由空间传输的影响,在调制参数g一定时,束腰参数f和相干参数fσ对非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束的非傍轴性起了至关重要的作用;非傍轴部分相干厄米-余弦-高斯光束在传输过程中当g不变时,其远场发散角的渐进值也会因fσ的增大而减小.     

强非局域介质中的椭圆高斯型损耗空间光孤子

应用解析的方法研究了傍轴椭圆高斯光束在含小损耗椭圆对称强非局域非线性介质中的传输特性，得到了光束各参量的演化方程、束宽的演化规律和2个临界功率。当椭圆对称强非局域介质的响应函数满足一定条件，这2个临界功率相等；当介质损耗足够小，初始功率等于这一临界功率时，傍轴椭圆高斯光束在传输中，其束宽保持缓慢展宽，可以得到椭圆高斯型损耗空间光孤子。     

非傍轴对称高斯光束矢量和标量表征的比较研究

微型激光源和衍射光学元件应用的不断增加激发了人们对非傍轴激光束的研究兴趣,导致非傍轴条件下高斯光束的表征受到格外的关注.迄今为止,人们已提出很多方法描述非傍轴条件下的高斯光束,既有标量表征,也有矢量表征.分别采用矢量和标量表征非傍轴对称高斯光束,通过引入比值T来度量光场的z分量对整个光场的贡献.结果表明,以x/W(z)和y/W(z)作为坐标时,T值的变化规律与z无关.对于光源半宽度w0≥0.5λ的非傍轴对称高斯光束,在传输轴附近,特别是沿xy平面45°对角线附近,可以采用标量表征;且随着传输距离的增大,适用范围同步增大.对于半宽度w0小于0.5λ的非傍轴对称高斯光束,由于在xy平面原点附近T值有较大的极值峰,因此标量表征完全失效.     

光束质量因子的研究

应用标量光场的角谱表示,推导了具有轴对称性的傍轴、非傍轴标量光束的光强二阶矩的传输规律。在此基础上,给出了光束的束腰半径、远场发散角及光束质量因子M2。对傍轴标量光束,证明了光束质量因子M2≥1;对非傍轴标量光束,指出当光束束腰半径很小时,其光束质量因子M2可以小于1,并随光束的束腰半径Wmin趋于零而趋向于零。     

弱非局域介质中1＋2维高斯型损耗空间光孤子

利用变分法研究了1＋2维傍轴高斯型光束在含有小损耗的弱非局域非线性介质中的传输特性,得到了光束各参量的演化方程和一个临界功率。在介质损耗足够小的前提下,当光束初始功率等于临界功率时,得到了一个束宽随传输距离缓慢展宽了的1＋2维高斯光束型准空间光孤子—损耗空间光孤子。     

强非局域介质中傍轴高斯光束在传输特性的变分研究

利用变分原理,研究了三维傍轴高斯光束在轴对称强非局域非线性介质中的传输特性,得到了傍轴高斯光束各参量的演化规律和一个临界功率。当初始功率等于临界功率时,可以得到一个稳定的空间孤子,而一般情形下,束宽则作周期的压缩或展宽变化。     

强非局域介质中傍轴高斯光束在传输特陛的变分研究

利用变分原理，研究了三维傍轴高斯光束在轴对称强非局域非线性介质中的传输特性．得到了傍轴高斯光束各参量的演化规律和一个临界功率。当初始功率等于临界功率时，可以得到一个稳定的空间孤子，而一般情形下，束宽则作周期的压缩或展宽变化。     

椭圆高斯光束在强非局域非线性介质中传输特性的变分研究

运用变分法研究傍轴椭圆高斯光束在强非局域非线性介质中的传输特性,得到了光束各参量的演化方程和各参量的演化规律的近似解、2个临界功率和2个由强非局域介质特性与初始束宽决定的特征参量ε1和ε2。在0ε1<1/3,0ε2<1/3的前提下,当初始功率等于某一临界功率时,傍轴椭圆高斯光束在传输时,可以保持某一方向的束宽不变,得到空间光孤子。     

离轴径向偏振高斯光束的非傍轴传输特性

基于矢量瑞利-索末菲衍射积分,研究了离轴径向偏振高斯光束的非傍轴传输特性,推导了离轴径向偏振高斯光束在自由空间中非傍轴传输的解析表达式,并与傍轴的情况进行了对比.研究表明:f参数、离轴系数和传输距离对径向偏振高斯光束的非傍轴传输特性有着重要的影响,而且,传输距离较远,离轴径向偏振光束的光斑向光轴靠拢,表现出较强的离轴修复能力.这些结论在多束离轴激光束进行光束合成和光束整形的研究中具有重要意义.     

弱非局域介质中的高斯型空间光孤子

利用变分法研究了1＋1维傍轴高斯光束在弱非局域非线性介质中的传输特性,得到了光束各参量的演化方程以及空间孤子存在的条件,并对弱非局域非线性介质中的高斯型空间光孤子的稳定性进行了分析。     

非局域耗散介质中椭圆高斯光束的传输特性

利用变分法对傍轴椭圆高斯光束在耗散的并具有椭圆对称响应的强非局域克尔介质中的传输特性进行了研究,得到了光束各参量所满足的演化方程．结果表明：当损耗足够小时,不同入射功率情况下椭圆高斯光束的长、短轴分别作不同周期、不同幅度的周期振荡,并总体呈现展宽趋势．     

准无衍射Lommel-Gauss光束非傍轴传输的解析

为研究准无衍射Lommel-Gauss光束的非傍轴传输,根据光束传播的独立性和叠加性原理,先将Lommel-Gauss光束展开为无穷项Bessel光束的叠加,然后利用虚源法和格林函数法引入一组能够产生Lommel-Gauss光束的虚光源点,利用Fourier-Bessel变换理论,通过建立对应的非齐次亥姆霍兹方程,计算得到Lommel-Gauss光束传输的非傍轴严格积分表达式.利用该积分表达式推导给出了Lommel-Gauss光束轴上光场分布的非傍轴修正解析表达式,这为定量计算Lommel-Gauss光束的传输特性提供了方便.     

基于格林函数法研究分数阶Bessel-Gaussian光束近场传输

为揭示FBG(fractional-order Bessel-Gaussian)光束在近场传输时的光强和相位演化情况，基于光传播的独立性和叠加性原理，通过引入虚光源点，并结合格林函数法，严格推导了FBG光束的非傍轴积分表达式，并进一步利用非傍轴下的各阶修正解，精确计算了FBG光束轴上的光强分布.计算结果表明：对于分数阶Bessel-Gaussian光束的远场传输，利用经典的傍轴近似理论可以得到准确的计算结果，但在近场传输时，傍轴近似理论的计算结果误差很大，只有利用非傍轴修正解才能精确研究FBG光束的近场光学传输.研究结果为将FBG光束更好地应用于近场光学奠定必要的理论基础.     

矢量衍射理论的级数解及其标量近似的有效性

当光束具有较大的发散角或光束束腰可与波长相比拟时,傍轴近似,甚至标量衍射理论都不再成立。文章在平面孔矢量衍射理论角谱表示的基础上,给出了衍射场纵向分量的级数解,指出在非傍轴区对衍射场矢量修正的必要性,分析了标量衍射理论的有效性。并以圆孔衍射为例进行了详细的数值计算,并就一些相关的问题进行了讨论。